國(guó)產(chǎn)高精度數(shù)字水準(zhǔn)儀在高海拔地區(qū)測(cè)量性能分析

徐許雄 黃 逢 何亞?wèn)| 邢超琦

(自然資源部第三大地測(cè)量隊(duì), 四川 成都 610100)

0 引言

高精度的數(shù)字水準(zhǔn)儀(DSZ05、DSZ1級(jí)別)是光機(jī)電一體化的高科技產(chǎn)品,國(guó)產(chǎn)儀器一直存在精度不高,可靠性、穩(wěn)定性不好等問(wèn)題,國(guó)家高等級(jí)高程控制網(wǎng)建設(shè)、精密工程測(cè)量長(zhǎng)期依賴Leica DNA03、Trimble Dini03、TOPCON DL-101C等進(jìn)口品牌的產(chǎn)品[1]。隨著“中國(guó)制造”戰(zhàn)略的實(shí)施和我國(guó)光學(xué)技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、信息處理技術(shù)的發(fā)展,國(guó)產(chǎn)儀器性能不斷精進(jìn),但各項(xiàng)儀器檢驗(yàn)指標(biāo)是否滿足國(guó)家高精度水準(zhǔn)測(cè)量的規(guī)范要求,在高海拔地區(qū),能否順利開展長(zhǎng)距離高等級(jí)水準(zhǔn)觀測(cè)工作,觀測(cè)的成果數(shù)據(jù)質(zhì)量如何是值得關(guān)注和研究的問(wèn)題。本文以國(guó)產(chǎn)DL-2003A數(shù)字水準(zhǔn)儀為研究對(duì)象,DNA03為對(duì)照組,同步進(jìn)行二等水準(zhǔn)觀測(cè),并對(duì)兩組儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,為驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)高精度數(shù)字水準(zhǔn)儀在高海拔地區(qū)的觀測(cè)精度、儀器性能提供了依據(jù)。

1 數(shù)字水準(zhǔn)儀的原理及性能指標(biāo)

1.1 數(shù)字水準(zhǔn)儀的測(cè)量原理

當(dāng)前各廠家生產(chǎn)的數(shù)字水準(zhǔn)儀的儀器結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理原理等方面不完全相同[2],但基本結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理相似,數(shù)字水準(zhǔn)儀主要由主機(jī)身、條碼尺、數(shù)據(jù)處理軟件三部分組成,測(cè)量時(shí)標(biāo)尺上的條碼圖案經(jīng)過(guò)光反射,一部分光束直接成像在望遠(yuǎn)鏡分劃板上,供目視觀測(cè),另一部分光束通過(guò)分光鏡轉(zhuǎn)射到線陣電荷耦合組件(charge coupled device,CCD)傳感器上,隨后轉(zhuǎn)換成電信號(hào),經(jīng)整形后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),輸出的數(shù)字信號(hào)被送到微處理器進(jìn)行處理和存儲(chǔ),并將其與儀器內(nèi)存的標(biāo)準(zhǔn)碼(參考信號(hào))按一定的方式進(jìn)行比較,即可獲得編碼標(biāo)尺的讀數(shù)[3-4]。在使用數(shù)字水準(zhǔn)儀進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量時(shí),為提高測(cè)量精度,應(yīng)當(dāng)使用與數(shù)字水準(zhǔn)儀相配套的水準(zhǔn)標(biāo)尺,而且標(biāo)尺面應(yīng)該沒(méi)有破損、污染等情況,確保在進(jìn)行水準(zhǔn)觀測(cè)時(shí)能正常識(shí)別讀數(shù)。

1.2 數(shù)字水準(zhǔn)儀的性能指標(biāo)

DNA03是當(dāng)前世界上測(cè)量精度最高的數(shù)字水準(zhǔn)儀之一,長(zhǎng)期作為國(guó)家一、二等水準(zhǔn)觀測(cè)的主流儀器,具有操作簡(jiǎn)便、測(cè)量精度高、儀器性能穩(wěn)定和能適應(yīng)各種地形、氣候等優(yōu)點(diǎn),其儀器性能在長(zhǎng)期生產(chǎn)時(shí)間中得到了充分檢驗(yàn)。因此,選取DNA03作為對(duì)照組具有較好的可靠性、可信性。DL-2003A是目前國(guó)產(chǎn)精度最高的數(shù)字水準(zhǔn)儀之一,其各項(xiàng)儀器性能指標(biāo)均達(dá)到了與DNA03相當(dāng)?shù)乃健臉?biāo)稱精度來(lái)看,兩款儀器均滿足DSZ05級(jí),優(yōu)于二等水準(zhǔn)觀測(cè)所需的DSZ1級(jí)要求,主要標(biāo)稱性能指標(biāo)見表1。

表1 DNA2003、DL-2003A的主要標(biāo)稱性能指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地選擇

為驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)儀器在高原地區(qū)的生產(chǎn)性能,此次試驗(yàn)選取位于青海省海南藏區(qū)自治州共和縣境內(nèi)的Ⅱ大塘線作為觀測(cè)路線。Ⅱ大塘線全長(zhǎng)約150 km,起點(diǎn)為4 509(夏艾里溝),終點(diǎn)為4 553(三塔拉),共由26個(gè)各類測(cè)量標(biāo)志組成,路線整體走向?yàn)槲鞅毕驏|南,平均海拔約3 100 m。試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)分布有G109國(guó)道、G225國(guó)道、X308縣道等主要交通干道,便于開展二等水準(zhǔn)觀測(cè)工作。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)作業(yè)流程嚴(yán)格按照《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)[5]相關(guān)要求執(zhí)行,開展資料收集與分析、測(cè)前儀器和標(biāo)尺檢查、外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、測(cè)后儀器和標(biāo)尺檢查、數(shù)據(jù)對(duì)比分析等工作。

2.2.1 資料收集與分析

收集Ⅱ大塘線點(diǎn)之記、檢測(cè)點(diǎn)點(diǎn)之記、起止點(diǎn)高程成果等資料,作為開展二等水準(zhǔn)觀測(cè)測(cè)區(qū)分析、數(shù)據(jù)采集、附合路線平差計(jì)算、質(zhì)量檢查等工作的依據(jù)。

2.2.2 測(cè)前儀器和標(biāo)尺檢查

按照《規(guī)范》和《數(shù)字水準(zhǔn)儀》[6]中有關(guān)要求,開始數(shù)據(jù)采集之前,對(duì)水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)標(biāo)尺進(jìn)行檢校。為避免水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)標(biāo)尺自身存在系統(tǒng)性誤差,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不準(zhǔn)確[7],水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)標(biāo)尺必須各項(xiàng)檢校合格后,才能用于試驗(yàn)。

2.2.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集采用單路線往返觀測(cè),數(shù)據(jù)記錄手簿統(tǒng)一采用歐珩杰A380,記錄軟件采用自然資源部第三大地測(cè)量隊(duì)編制的“水準(zhǔn)測(cè)量外業(yè)記錄軟件包”,該軟件包對(duì)觀測(cè)過(guò)程中的視線長(zhǎng)度、前后視距差、累計(jì)視距差、視線高度、兩次讀數(shù)所測(cè)高差之差等指標(biāo)能嚴(yán)格按照《規(guī)范》要求進(jìn)行控制。

數(shù)字水準(zhǔn)儀作為精密儀器,外界溫度、濕度、光照等條件變化,均可能引起儀器性能的變化[8-9],導(dǎo)致DL-2003A和DNA03觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比不能反映真實(shí)情況。為真實(shí)、客觀反映兩者之間的觀測(cè)性能,應(yīng)該使兩款儀器最大限度在相近條件下進(jìn)行比較,為此,本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為安排兩個(gè)觀測(cè)組進(jìn)行同步觀測(cè),除執(zhí)行《規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定外,還提出如下要求：

(1)兩個(gè)觀測(cè)組分別使用DL-2003A、DNA03沿同一路線進(jìn)行二等水準(zhǔn)觀測(cè),每一個(gè)測(cè)段的開始、結(jié)束時(shí)間不大于1 d,保證在觀測(cè)期間各項(xiàng)環(huán)境因素基本一致。

(2)為對(duì)兩款水準(zhǔn)儀每一測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,選取部分測(cè)段,沿測(cè)量路線布設(shè)測(cè)釘,每一測(cè)站水準(zhǔn)標(biāo)尺都放置在布設(shè)好的測(cè)釘上,使兩個(gè)觀測(cè)組在同一時(shí)間內(nèi)沿測(cè)釘依次觀測(cè),兩個(gè)觀測(cè)組開始、結(jié)束時(shí)間間隔不超過(guò)20 min,嚴(yán)格消除環(huán)境、溫度、尺承等因素的影響。

(3)兩個(gè)觀測(cè)組每天開始進(jìn)行二等水準(zhǔn)觀測(cè)之前,都需要測(cè)定儀器i角,確保在試驗(yàn)期間儀器性能穩(wěn)定、良好,減小i角對(duì)觀測(cè)成果的影響[10]。

(4)觀測(cè)過(guò)程中,如遇到觀測(cè)溫度、道路土質(zhì)、天氣、風(fēng)力情況、太陽(yáng)方向、觀測(cè)環(huán)境發(fā)生異常或者儀器、標(biāo)尺出現(xiàn)故障的情況時(shí),要準(zhǔn)確、詳細(xì)記錄相關(guān)情況,對(duì)于有問(wèn)題的觀測(cè)測(cè)段,兩個(gè)款儀器要一并重新測(cè)量。

2.2.4 測(cè)后儀器和標(biāo)尺檢查

在完成全部二等水準(zhǔn)觀測(cè)后,需要對(duì)水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)后i角檢驗(yàn)、對(duì)水準(zhǔn)標(biāo)尺進(jìn)行分劃面彎曲差測(cè)定,以確認(rèn)DL-2003A、DNA03在試驗(yàn)過(guò)程中的穩(wěn)定性。同時(shí),還需要對(duì)水準(zhǔn)標(biāo)尺進(jìn)行一對(duì)標(biāo)尺米間隔長(zhǎng)度平均值測(cè)定,以消除標(biāo)尺尺長(zhǎng)差異帶來(lái)的誤差[11]。

2.2.5 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

按照《規(guī)范》要求,對(duì)測(cè)段、區(qū)段、路線的往返測(cè)高差和附合路線閉合差按照二等水準(zhǔn)觀測(cè)要求進(jìn)行檢查,計(jì)算兩款儀器的每千米偶然中誤差,由于未構(gòu)成20個(gè)以上的水準(zhǔn)環(huán),不計(jì)算全中誤差。本文在進(jìn)行測(cè)段、區(qū)段、路線的往返測(cè)高差中數(shù)、不符值、高差偏離等指標(biāo)分析時(shí),均是采用經(jīng)正常水準(zhǔn)面不平行改正、水準(zhǔn)標(biāo)尺長(zhǎng)度改正的數(shù)據(jù),后續(xù)章節(jié)不再做特殊說(shuō)明。

2.2.6 數(shù)據(jù)比較分析

數(shù)據(jù)對(duì)比分析過(guò)程中,以測(cè)段、區(qū)段、路線的往返測(cè)高差中數(shù)、點(diǎn)位高程作為數(shù)據(jù)分析單元,以DNA03觀測(cè)成果為基準(zhǔn),分析DL-2003A的高差偏離Δh,將二等往返測(cè)高差不符值限差作為Δh的限差,Δh在限差內(nèi)時(shí),表明DL-2003A觀測(cè)成果與DNA03觀測(cè)成果一致性較好,其觀測(cè)成果具有較好的可靠性。

(1)

式中,Δh為高差偏離值;HDL-2003A、HDNA03分別為DL-2003A、DNA03的測(cè)段、區(qū)段、路線往返測(cè)高差中數(shù)。

在進(jìn)行測(cè)站數(shù)據(jù)分析時(shí),還要進(jìn)行平均每站、平均每千米、平均每米高差的高差偏離值,具體為

(2)

為量化兩款儀器觀測(cè)成果的符合性,計(jì)算兩款儀器測(cè)站、測(cè)段觀測(cè)成果的相關(guān)系數(shù)r,相關(guān)系數(shù)越高,表明兩款儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)的符合性越好,計(jì)算方法如式(3)所示[12]。

(3)

式中,r為兩種不同類型儀器的相關(guān)系數(shù);HDL-2003A、HDNA03為兩種不同類型儀器的高差觀測(cè)數(shù)據(jù);Cov(HDL-2003A,HDNA03)為HDL-2003A與HDNA03的協(xié)方差;Var[HDL-2003A]為HDL-2003A的方差;Var[HDNA03]為HDNA03的方差。

3 儀器檢驗(yàn)結(jié)果

按照《規(guī)范》和《數(shù)字水準(zhǔn)儀》中相關(guān)規(guī)定,對(duì)DL-2003A、DNA03相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行檢查,檢查結(jié)果為DL-2003A、DNA03兩款儀器外觀完好、性能正常、沒(méi)有明顯的物理缺陷,能夠與A380手簿和水準(zhǔn)測(cè)量外業(yè)記錄軟件包有效兼容,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的觀測(cè)、傳輸、存儲(chǔ)等功能,儀器、標(biāo)尺的各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果均滿足一等水準(zhǔn)觀測(cè)要求,即滿足DSZ05級(jí)要求,優(yōu)于二等水準(zhǔn)觀測(cè)要求,可以用于本次試驗(yàn)。

4 數(shù)據(jù)比較分析

4.1 測(cè)站數(shù)據(jù)分析

選取4509(夏艾里溝)-Ⅱ大塘02(13)為試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行同步觀測(cè),同步觀測(cè)期間天氣云量、成像狀況、太陽(yáng)方向、風(fēng)速風(fēng)向、道路土質(zhì)、溫度等信息均一致,每一測(cè)站儀器安放位置基本一致,從而確保兩款儀器每一測(cè)站前后視距一致,每一測(cè)站放置標(biāo)尺時(shí),扶持人員都要檢查測(cè)釘?shù)姆€(wěn)定性,確認(rèn)測(cè)釘穩(wěn)定后,再放置標(biāo)尺,最終兩個(gè)測(cè)段同步完成的最大時(shí)間間隔為14 min。 同步觀測(cè)的高差偏離值見圖1。

圖1 測(cè)站往返測(cè)高差偏離值圖

最大測(cè)站高差偏離、最小測(cè)站高差偏離、平均每站高差偏離、平均每千米高差偏離、平均每米高差的高差偏離見表2。

表2 測(cè)站高差偏離統(tǒng)計(jì)表

按照《規(guī)范》中對(duì)于數(shù)字水準(zhǔn)儀兩次讀數(shù)所測(cè)高差的差執(zhí)行基輔分化所測(cè)高差之差的限差這一規(guī)定,以二等水準(zhǔn)觀測(cè)基輔分化所測(cè)高差的差的限差Δ=0.6 mm作為測(cè)站高差偏離的限差,統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表3。

表3 測(cè)站高差偏離精度統(tǒng)計(jì)表

在水準(zhǔn)觀測(cè)過(guò)程中,水準(zhǔn)路線的不同走向會(huì)引起測(cè)量精度的輕微變化[13],往測(cè)為從北至南走向、返測(cè)為從南至北走向,分別對(duì)DL-2003A、DNA03測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行線性相關(guān)性分析和協(xié)方差量化分析。為使相關(guān)性分析的結(jié)果更加顯著,需要先對(duì)測(cè)站觀測(cè)高差去大數(shù),例如某一測(cè)站DL-2003A、DNA03觀測(cè)高差分別為-1.297 70 m、-1.297 77 m,去大數(shù)后為-0.70 mm、-0.77 mm,然后再對(duì)去大數(shù)后的數(shù)值進(jìn)行線性相關(guān)性分析和協(xié)方差量化分析。經(jīng)計(jì)算得到往測(cè)相關(guān)系數(shù)為r往測(cè)=0.94,返測(cè)相關(guān)系數(shù)為r返測(cè)=0.91,均大于0.85,表明觀測(cè)結(jié)果具有強(qiáng)相關(guān)性。由此可以看出,在測(cè)站層面上,無(wú)論水準(zhǔn)路線走向是從北向南,還是從南向北,DL-2003A、DNA03觀測(cè)結(jié)果的一致性、吻合性都較好。

4.2 測(cè)段數(shù)據(jù)分析

Ⅱ大塘線共計(jì)25個(gè)測(cè)段,測(cè)段走向豐富,包括南-北走向2個(gè)、東-西走向2個(gè)、東北-西南走向5個(gè)、西北-東南走向16個(gè),同步觀測(cè)的最大時(shí)間間隔為2 d。通過(guò)分析DL-2003A、DNA03兩種儀器25個(gè)測(cè)段的測(cè)段不符值(圖2),可以看出DL-2003A、DNA03的測(cè)段往返測(cè)不符值均滿足限差要求。測(cè)段高差偏離值最大為-7.57 mm,最小為-0.12 mm,測(cè)段高差偏離值在0.5倍限差內(nèi)的測(cè)段有23個(gè),占比92%。同樣,對(duì)測(cè)段高差中數(shù)進(jìn)行去大數(shù)處理后,計(jì)算相關(guān)系數(shù)r測(cè)段=0.87,大于0.85,表明在測(cè)段層面上,DL-2003A、DNA03觀測(cè)的高差成果具有強(qiáng)相關(guān)性,而且在不同走向的測(cè)段觀測(cè)成果上,具有較好的一致性。

圖2 測(cè)段高差和高差偏離值圖

4.3 區(qū)段數(shù)據(jù)分析

Ⅱ大塘線分為4個(gè)區(qū)段,區(qū)段同步觀測(cè)最大時(shí)間間隔為2 d,以區(qū)段高差中數(shù)作為研究對(duì)象,分析4個(gè)區(qū)段的區(qū)段往返測(cè)不符值、區(qū)段高差偏離值,具體見表4。可以看出,DL-2003A、DNA03的區(qū)段不符值均滿足限差要求,而且均小于0.5倍限差;區(qū)段高差偏離值也全部滿足限差要求,最大為20.35 mm,最小為4.85 mm。由于區(qū)段數(shù)據(jù)量較少,在此不做相關(guān)性分析。

表4 區(qū)段不符值、區(qū)段高差偏離值表

4.4 路線數(shù)據(jù)分析

Ⅱ大塘線整體同步觀測(cè)最大時(shí)間間隔為2 d,以路線往返測(cè)高差中數(shù)為研究對(duì)象,可以得出,DL-2003A、DNA03的路線往返測(cè)不符值、路線高差偏離均滿足限差要求,具體見表5。在路線層面上,DL-2003A與DNA03觀測(cè)成果高度吻合,其路線高差偏離值在限差的10%以內(nèi)。

表5 路線不符值、路線高差偏離值表

對(duì)Ⅱ大塘線兩款儀器觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行重力異常改正、固體潮改正后,DL-2003A、DNA03觀測(cè)結(jié)果的附合路線閉合差分別為-5.83 mm、4.63 mm,滿足限差要求。計(jì)算DL-2003A、DNA03觀測(cè)成果的每千米偶然中誤差MΔ[14-15]為

(4)

式中,Δ為測(cè)段往返測(cè)高差不符值,單位為毫米;R為測(cè)段長(zhǎng)度,單位為千米;n為測(cè)段數(shù)。

求得DL-2003A、DNA03每千米偶然中誤差分別為MΔDL-2003A=0.71 mm,MΔDNA03=0.58 mm,均滿足二等水準(zhǔn)觀測(cè)每千米偶然中誤差小于1.0 mm的要求,但DNA03每千米偶然中誤差優(yōu)于DL-2003A。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)開展同步試驗(yàn)的方式,可以科學(xué)、準(zhǔn)確評(píng)估國(guó)產(chǎn)高精度數(shù)字水準(zhǔn)儀與進(jìn)口儀器在高海拔地區(qū)同等條件下的綜合性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)DL-2003A的主要儀器檢驗(yàn)指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果與DNA03相當(dāng),DL-2003A儀器檢驗(yàn)指標(biāo)達(dá)到DSZ05級(jí)別。

(2)在高海拔地區(qū)DL-2003A、DNA03能進(jìn)行同步觀測(cè),而且沒(méi)有出現(xiàn)重大儀器故障,表明DL-2003A儀器性能良好,觀測(cè)效率與DNA03相當(dāng)。

(3)對(duì)測(cè)站、測(cè)段、區(qū)段、路線的往返測(cè)高差不符值、高差偏離值等指標(biāo)進(jìn)行分析,可以看出DL-2003A、DNA03觀測(cè)的高差成果具有強(qiáng)相關(guān)性,不同走向的測(cè)段觀測(cè)成果沒(méi)有明顯的系統(tǒng)性誤差,附合路線閉合差、每千米偶然中誤差均滿足二等水準(zhǔn)觀測(cè)要求,表明DL-2003A可以滿足高海拔地區(qū)二等水準(zhǔn)觀測(cè)要求。

此次研究也存在一些不足：①本文僅選用DL-2003A作為國(guó)產(chǎn)高精度數(shù)字水準(zhǔn)儀的代表進(jìn)行研究,其他品牌、型號(hào)的水準(zhǔn)儀是否滿足高等級(jí)精密水準(zhǔn)測(cè)量需要進(jìn)一步研究驗(yàn)證;②本文僅在高海拔環(huán)境下進(jìn)行了試驗(yàn),在高溫、高寒、高濕度、大高差等環(huán)境下,國(guó)產(chǎn)高精度數(shù)字水準(zhǔn)儀的性能需要進(jìn)一步驗(yàn)證;③本文的觀測(cè)時(shí)間較短、觀測(cè)數(shù)據(jù)量不大,國(guó)產(chǎn)高精度數(shù)字水準(zhǔn)儀在長(zhǎng)時(shí)間、大量觀測(cè)的情況下,其儀器性能的穩(wěn)定性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。